CC BY
148
УДК 621.316.722
Г.А. БЕЛОВ, А.А. АЛЕКСЕЕВ, А.В. НЕСТЕРОВ
ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ КОРРЕКТОРЫ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В развитых странах доля электроэнергии, потребляемой в преобразованном виде, непрерывно возрастает. Основными потребителями преобразованной электроэнергии являются системы электропривода с полупроводниковыми преобразователями, источники электропитания электротехнологических установок, электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры. Такие потребители обычно имеют плохой коэффициент мощности, что связано со сдвигом первой гармоники потребляемого из сети тока относительно напряжения сети и существенной несинусоидальностью этого тока. Эффективное решение этой проблемы возможно посредством применения корректоров коэффициента мощности (ККМ) в цепях питания потребителей. Согласно требованиям МЭК для любого электрооборудования мощностью более 300 Вт обязательно обеспечение значения коэффициента мощности, требуемого стандартами МЭК 1ЕС-1000-3-2. Придерживаться этих стандартов должны все производители изделий, выходящие на международный рынок [4].
Первые описания принципа построения ККМ известны с 80-х годов прошлого столетия [1]. В настоящее время ряд фирм серийно выпускает интегральные схемы контроллеров для управления ККМ, которые позволяют реализовать релейное или широтно-импульсное регулирование входного тока и выходного напряжения ККМ.
Корректоры с релейным регулированием имеют переменную частоту дискретизации [3,4], что затрудняет фильтрацию выходных и входных пульсаций. В мощных устройствах целесообразно применение ККМ с широтноимпульсным регулированием (ШИККМ).
На рис. 1 представлена упрощенная принципиальная схема ККМ, построенного на базе повышающего импульсного преобразователя (транзистор УТ1, диод\Т>1, дроссель Ь и конденсатор С) [5].
На вход преобразователя подается напряжение Мвх, получаемое от однофазного двухполупериодного выпрямителя без фильтра. На затвор транзистора \ГГ1 поступают импульсы от формирователя ФИ, подключенного к выходу &!>-триггера, входящего в состав ШИМ-контроллера. С помощью ШИМ-контроллера, как и в первых схемах ККМ [1], реализуется двухконтурная система управления импульсным преобразователем, включающая в себя регуляторы входного тока и выходного напряжения. В первых схемах ККМ оба регулятора были пропорциональные (П-регуляторы), в схеме на
рис. 1 используется регулятор тока на операционном усилителе DA1 (двойное интегрирующее звено, В котором емкость С2 на порядок больше С'з) и ПИ-регулятор напряжения на операционном усилителе DA2.
Рис. 1
На вход 5 триггера подаются тактовые импульсы, формируемые в моменты начала линейно изменяющихся участков пилообразного напряжения ип, на вход Я - перепады напряжения с выхода ШИМ-компаратора БАЗ, на
входы которого поступают напряжение ип и выходное напряжение регулятора тока ИрТ. Дополнительный компаратор ОА4, выход которого подключен. ко второму входу К триггера, обеспечивает выключение транзистора УТ1
при достижении током дросселя L порогового значения /пор = UonRol/(Ro2R,tT), где Rol и Rq2 - резисторы цепи формирования
порогового значения; 7?дг - сопротивление датчика тока дросселя L. Тем
самым обеспечивается ограничение мгновенного значения тока дросселя i^ .
На неинвертирующем входе ОУ DA1 согласно схеме на рис. 1 получается напряжение
Щ = ^и -^дтг1’ О)
где i - выходной ток множительного устройства 3, определяемый из равенства
. _ -^м^м.вх^рн (2}
1м ~ U1
w пд
и являющийся задающим сигналом контура регулирования тока; Км = 1 -постоянная множительного устройства, /м вх = ивх /ЯЭТ - его входной ток; Ирн - напряжение на выходе ОУ DA2; R.iT - сопротивление, определяющее ток / вх, пропорциональный напряжению Um (t); £/пд - напряжение «прямого действия», пропорциональное среднему значению ивх. Устройство 1 формирует квадрат напряжения Um, в устройстве 2 выполняется деление
напряжения МрН на 11^я ■
Использование задающего тока согласно равенству (2) позволяет одновременно обеспечить регулирование тока iL по закону, близкому к изменению /м вх, и стабилизацию выходного напряжения с некоторой точностью. Деление на 1/^д в (2) позволяет избежать больших изменений коэффициента
усиления контура при колебаниях напряжения питающей сети [5].
Регулятор напряжения собран на ОУ DA2, на неинвертирующий вход которого подается напряжение Uon, на инвертирующий - с выхода делителя
^д1 > ^д2 •
Разработана , быстродействующая программа расчета процессов в ККМ [7]. Структура программы аналогична структуре ранее разработанной программы расчета процессов в понижающем импульсном преобразователе [8].
Как показали расчеты, процессы в ККМ при нулевых начальных условиях устанавливаются через 7-15 периодов сетевого напряжения. При частоте дискретизации 100 кГц это соответствует 14-30 тысячам интервалов дискретизации Гд .
При пуске, который начинается в момент перехода напряжения сети через нуль, формируется значительный нерегулируемый выброс тока силового дросселя, объясняемый тем, что выходной конденсатор в начале пуска разряжен, силовой транзистор закрыт (см. рис. 1) и ток 1Ь, замыкающийся через диод и конденсатор, не регулируется. Для ограничения этого выброса необходимы дополнительные устройства в силовой входной цепи, например токоограничивающий резистор, шунтированный тиристором. Когда выброс уменьшается до значения /пор , в очередной тактовый момент времени открывается силовой транзистор \Т1, ток снова начинает нарастать, и вступает в действие цепь токоограничения, включающая в себя компаратор П>А4. При этом максимальное значение тока ограничивается на некотором уровне. Когда выходной конденсатор заряжается до определенного значения напряжения, действие цепи токоограничения прекращается и вступают в работу контуры регулирования тока и напряжения.
Колебания с большой амплитудой прекращаются по истечении времени ? « 51 -4'ЬС , после чего начинается нормальный процесс отработки задающих воздействий с небольшими колебаниями относительно установившегося режима.
Рис.2
На рис. 2 показаны расчетные огибающие дискретных значений координат вектора состояния J1H4 в установившихся режимах при тех же значениях параметров, рекомендованных в каталоге фирмы-изготовителя ШИМ-контроллера [5].
Введены обозначения: х2 - ис /U6 - относительные ток дросселя L и напряжение на конденсаторе С; U6 = 380 В и R6 - 380Ом - базовые напряжение и сопротивление; х3 = ucl/Un - относительное напряжение на конденсаторе С1 цепи обратной связи усилителя DA2; х4 = ис2 /Un , х5 = uc?>/Un vlmax = ^вхтахА^б = 1 - относительное амплитудное значение входного
0,14---------
Рис. 3
напряжения; д = ЛЩс /К - 0,0025 - коэффициент нагрузки; у = ?() ТД -
относительная длительность включенного состояния силового транзистора.
Расчет амплитуд гармоник тока питающей ККМ сети переменного тока выполнен на основе данных, полученных при расчете установившихся режимов, с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ), причем при расчете низкочастотных гармоник использовались усредненные значения тока дросселя в тактовые моменты времени (рис. 3).
Расчетный коэффициент мощности изменяется от 0,94 при V, тах = 1 до 0,995 при у1тах = 0,2894 .
Недостатком рассмотренной схемы ККМ является то, что выходное напряжение превышает входное. Это обстоятельство ограничивает применение подобных ККМ в устройствах, где требуется обеспечить меньшее выходное напряжение. Для преодоления этого недостатка используются иные схемы силовой части ККМ (см. рис. 4, а, б) [9]. Схема управления имеет такой же вид, как и на рис. 1.
б
Рис. 4
Анализ показывает, что среднее за время 7д значение выходного напряжения в схемах на рис. 4, аиб определяется формулой
У „ г(у1 ,, (3)
и.
и,* -
1-у " (1 - у)2 “
где ии /н - средние за время Тд значения входного напряжения и тока нагрузки;
у (у ) = у 2 Г\ + (1 - у )2 г2 ; (4)
*1 и г2 ~ активные сопротивления цепей дросселей и . Как видно из (3), данные схемы могут как повышать, так и понижать напряжение. Схема на рис. 4, б отличается необходимостью включения дополнительного ЬС -фильтра, защищающего сеть переменного тока от прохождения гармоник тока с частотами, кратными частоте переключения силового транзистора.
КПД, учитывающий только потери в сопротивлениях Г\ и ^, определяется выражением
<• •>"___________.
(l - у)2 + r{y)/R где R = U вых /7Н - сопротивление нагрузки.
Литература
1. Kocher M.I., Steigerwald R.L. An AC-to-DC converter with high quality input waveforms // IEEE Trans. On Ind. Appl. 1983. V. IA-19, № 4. P. 586-599.
2. Белов Г. А. Динамика импульсных преобразователей. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001. 528 с.
3. Белов Г.А., Дрямин Ф.В. Математическое моделирование корректора коэффициента мощности // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Мат. IV Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2001. С. 32-38.
4. Магазинник А.Г., Магазинник Л.Т., Магазинник Т.Г. Коррекция коэффициента мощности вторичных источников питания // Электротехника. 2001. №5. С. 40-42.
5. Todd Р.С. UC3854 controlled power factor correction circuit design // Product end applications Handbook 1995-96 / Integrated circuits Unitrode.
6. Белов Г.А. Математическое моделирование широтно-импульсного корректора коэффициента мощности // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: Мат. IV Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2002. С. 78-88.
7. Белов Г.А, Нестеров А.В., Алексеев А.А. Расчет переходных процессов в широтноимпульсном корректоре коэффициента мощности // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: Мат. V Всерос. науч.-гехн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2003. С. 25-25.
8. Белов Г.А., Баймулкин В.А. Расчет переходных процессов в понижающем импульсном стабилизаторе напряжения / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2000611212, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 23.11.2000.
9. Ferrari A., Bardi I. Comparative Analysis of Three High Power Factor Single Phase 200W Rectifiers // http://www.inep.ufsc.br
БЕЛОВ ГЕННАДИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ родился в 1937 г. Окончил Московский энергетический институт (МЭИ). Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки ЧР. Заведующий кафедрой промышленной электроники Чувашского государственного университета. Автор более 150 научных публикаций в области силовой электроники.
АЛЕКСЕЕВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ родился в 1980 г. Окончил Чувашский государственный университет. Инженер ЧНППП «Элара» (г. Чебоксары). Автор одной научной работы в области силовой электроники.
НЕСТЕРОВ АЛЕКСЕЙ ВАСИЛЬЕВИЧ родился в 1980 г. Окончил Чувашский государственный университет. Инженер ЧНППП «Элара». Автор двух научных работ в области силовой электроники._________________________________
